稿件信息
- 收稿數(shù)量： 1545
- 審核中數(shù)量： 38
投稿通道
版權(quán)信息
出版單位:
《粘接》雜志編輯部
粘接傳媒（湖北）有限公司
粘接傳媒（湖北）有限公司
國內(nèi)刊號:
CN42-1183/TQ
國際刊號:
ISSN1001-5922
郵發(fā)代號:
38-474
投稿郵箱:
zhanjiezzs@163.com
tougao@zhanjiezazhi.com
tougao@zhanjiezazhi.com
查稿電話:
027-87890767
聯(lián)系地址:
武漢市洪山區(qū)珞喻路345號
郵政編碼:
430079
官 方 微 信 
掃一掃！期刊動態(tài)、刊期進(jìn)度、樣刊郵寄情況、學(xué)術(shù)活動等一切盡在您的掌握中！
《PNAS》：極端條件實(shí)現(xiàn)超疏水！最新疏水理論，創(chuàng)造奇特疏水表面
《PNAS》：極端條件實(shí)現(xiàn)超疏水！最新疏水理論，創(chuàng)造奇特疏水表面
發(fā)布時間：2020-10-29 來源：
粘接傳媒（湖北）有限公司
飛機(jī)積冰是指飛機(jī)穿過含有過冷卻水滴的云雨層中，當(dāng)機(jī)體表面溫度小于0℃時，機(jī)身表面積聚冰層的現(xiàn)象。其主要由云中過冷云滴或降水過程中的雨滴與機(jī)身碰撞后凍結(jié)而形成，或直接由水汽在機(jī)體表面凝華而成。目前對于飛機(jī)積冰的處理一般有2種，一是開啟防冰系統(tǒng)；二是加強(qiáng)積冰監(jiān)測。但是卻無法從根本上消除隱患，因此仍然是飛行者的一大心病。若是能將飛機(jī)表面同樣設(shè)計成超疏水結(jié)構(gòu)，想必這個困擾許久的難題便能迎刃而解，無奈總是理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感，對于高空飛行這樣類似的極端天氣，目前很少有相關(guān)工作研究偏離標(biāo)準(zhǔn)大氣條件時對超疏水表面的抗?jié)裥阅苡绊?/strong>。對此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Dimos Poulikakos等研究工作者結(jié)合相關(guān)物理學(xué)，發(fā)現(xiàn)了以前未曾探索的基于冷凝的穿刺機(jī)理，并有望借助新發(fā)現(xiàn)設(shè)計在極端條件下依然具有超疏水性能的材料。該工作以“Superhydrophobic surfaces for extreme environmental conditions”為題發(fā)表于《PNAS》雜志
為研究超疏水樣品在極端環(huán)境條件下對沖擊水滴的疏水性，研究人員合成了2種低表面能紋理涂層：單層粗糙度涂層、多層粗糙度涂層。圖1分別顯示環(huán)境壓力（p）為95KPa/0.1KPa下液滴撞擊多層超疏水表面的圖像，全部參數(shù)如圖1E所示，可以將水滴沖擊分為3個區(qū)域：穿刺區(qū)、總反彈區(qū)和一個過渡區(qū)，并且環(huán)境壓力對結(jié)果影響最大。
圖1 不同大氣條件下，液滴撞擊具有多層表面結(jié)構(gòu)的超疏水表面
為探索不同的刺穿機(jī)制，文章使用倒置顯微鏡和高速攝像機(jī)觀察撞擊過程中液滴-表面的相互作用。圖2為水滴撞擊單層超疏水表面擴(kuò)散和反沖的圖像（A：大氣壓/適度潮濕；B：中等真空/干燥；C：中等真空/潮濕）：3個不同環(huán)境條件下分別發(fā)生部分刺穿、液滴反彈與液滴刺穿，這2種情況的區(qū)別在于，在刺穿情況下，液滴彎月面穿透表面的環(huán)形區(qū)域更后暗，表明有更多的空氣被排出。
圖2 低速沖擊圖像
低壓低濕度下的穿刺機(jī)理
先前的工作提出的機(jī)理是水錘效應(yīng)和撞擊前液滴下方壓力積累導(dǎo)致的液滴曲率增加。對于前者，中間空氣層的存在可能減弱撞擊時形成的任何沖擊，而對于后者，去除空氣層可以抑制液滴變形并防止刺穿，在減壓下刺穿的可能性增加，但是并沒有得到證實(shí)。為了闡明穿刺嚴(yán)重程度增加與環(huán)境壓力降低之間的關(guān)系，圖3顯示，不同環(huán)境壓力（p）下水滴沖擊形成的凹痕深度不同，且差異非常明顯，因此驗(yàn)證上述猜測。
圖3 基于壓力的穿刺機(jī)理分析
機(jī)理在手，辦法全有
新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)也為研究人員設(shè)計超疏水表面成為可能。研究人員在透明聚氨酯丙烯酸酯（PUA）微柱上噴涂含有疏水氣相二氧化硅納米粒子(HFS)的乙醇溶液，得到不影響微紋理整體形貌的均勻亞微米特征層，圖4A顯示，在中等真空/干燥條件下，液滴完全反彈，表明添加納米紋理有助于減輕基于壓力的影響；而在中等真空/潮濕條件下時（圖4B），結(jié)果相似，證明該納米結(jié)構(gòu)有助于限制刺穿，實(shí)現(xiàn)超疏水。
圖4 PUA微柱沖擊圖像
結(jié)論
文章闡明了在明顯偏離標(biāo)準(zhǔn)大氣條件環(huán)境下，液滴撞擊超疏水表面的刺穿失效機(jī)制，確定低環(huán)境壓力（P）時空氣層的可壓縮性導(dǎo)致沖擊時夾帶的空氣量減少，從而導(dǎo)致液滴和水錘效應(yīng)引起的壓力（PWH）的緩沖減少，足以克服低韋伯?dāng)?shù)(We,慣性力和表面張力的比值)下的毛細(xì)壓力。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的基于冷凝的撞擊機(jī)制，該機(jī)制是在高水蒸氣分壓(pv)環(huán)境中，由于撞擊前空氣層的壓縮和過飽和造成。
文章亮點(diǎn)與意義
盡管空氣在賦予材料表面超水性性能上起著關(guān)鍵作用，但很少考慮大氣成分如何影響材料表面排斥撞擊液滴的能力。文章發(fā)現(xiàn)，壓力降低和濕度增加的環(huán)境條件都會顯著降低上述性能；并通過撞擊前對液滴下的壓縮空氣層進(jìn)行熱力學(xué)建模，揭示了一個從未報道的源于“紋理內(nèi)凝結(jié)”產(chǎn)生的表面破壞機(jī)制；以理論基礎(chǔ)為向?qū)?，證明添加適當(dāng)比例的納米結(jié)構(gòu)，有利于減輕極端環(huán)境條件下的不利影響，并期待這種新性質(zhì)用于交通運(yùn)輸?shù)仍O(shè)施應(yīng)用，將疏水性能從標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下擴(kuò)展到極端環(huán)境。
來源：高分子科技前沿